謝超

摘 要：學(xué)生在解決開閉環(huán)控制系統(tǒng)的題目時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)思路混亂。用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法分析開閉環(huán)控制系統(tǒng)，既可以整體把握，又可以逐個(gè)到位。這個(gè)方法不僅僅解決了控制系統(tǒng)的難題，同樣可以培養(yǎng)學(xué)生的大局觀，處理問題面面俱到，不顧此失彼。

關(guān)鍵詞：開環(huán);閉環(huán);控制

宏觀和微觀的思想在經(jīng)濟(jì)學(xué)理論體系中占有重要地位。從宏觀角度總體分析經(jīng)濟(jì)規(guī)律的一個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域，研究經(jīng)濟(jì)整體資源的利用問題;從微觀角度，是研究單個(gè)個(gè)體的經(jīng)濟(jì)行為，即是研究一個(gè)人、一個(gè)工廠、一個(gè)公司的經(jīng)濟(jì)行為。這樣總體考慮和局部考慮相結(jié)合的思想，在很多領(lǐng)域都能很好地應(yīng)用。

蘇教版通用技術(shù)必修二第四單元控制與設(shè)計(jì)這一章，是整個(gè)通用技術(shù)學(xué)科的重難點(diǎn)之一。在歷年的高考，各地模擬考試中，都有較大分值，但得分率普遍不高。究其原因不外乎以下幾點(diǎn)：（1）控制系統(tǒng)的流程方框圖搞不清楚;（2）搞不清是開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng);（3）簡(jiǎn)單的題目能做出來，但遇到新的、稍復(fù)雜的控制系統(tǒng)或者大系統(tǒng)中的小系統(tǒng)時(shí)，往往思路會(huì)比較亂。經(jīng)過多年的反復(fù)論證、總結(jié)，用“宏觀”和“微觀”的思想，來解決控制系統(tǒng)的問題，得心應(yīng)手。

一、“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法

1.用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法分析開環(huán)控制系統(tǒng)

先用宏觀整體的思想來看這個(gè)控制流程：仔細(xì)閱讀整個(gè)控制過程，然后提煉出整個(gè)系統(tǒng)到底要對(duì)什么進(jìn)行控制，要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能。對(duì)什么進(jìn)行控制，什么就是被控對(duì)象;要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能，就直接找到輸入量和輸出量。舉例：有一控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能，當(dāng)人靠近的時(shí)候門打開;人遠(yuǎn)離的時(shí)候，門就關(guān)閉。這里被控對(duì)象就是門（整個(gè)控制系統(tǒng)就是在對(duì)門進(jìn)行控制）;輸入量是有無人的信號(hào)（開環(huán)電子控制系統(tǒng)往往需要通過傳感器把非電信號(hào)的輸入量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)），輸出量是門打開或者關(guān)閉。

然后用微觀逐個(gè)的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：把握整個(gè)控制過程以后，按照流程方框圖，根據(jù)控制原理，逐個(gè)把各部分找出來（微觀逐個(gè)思想）。比如被控對(duì)象知道了，能控制被控對(duì)象的設(shè)備就是執(zhí)行器，能對(duì)執(zhí)行器發(fā)出指令的是控制器。

2.用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法分析閉環(huán)控制系統(tǒng)

同樣先用宏觀整體的思想來看這個(gè)控制流程：先仔細(xì)閱讀整個(gè)控制過程，然后提煉出整個(gè)系統(tǒng)到底要對(duì)什么進(jìn)行控制，要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能。對(duì)什么進(jìn)行控制，什么就是被控對(duì)象;要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能，就直接找到設(shè)定值和實(shí)際值。舉例：有一控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能：能使土壤的實(shí)際濕度與設(shè)定的濕度保持一致（土壤干了加水，讓土壤變干;土壤濕了停止加水）。這里被控對(duì)象就是土壤（整個(gè)控制系統(tǒng)就是在對(duì)土壤進(jìn)行控制）;設(shè)定值是設(shè)定濕度，實(shí)際值是實(shí)際濕度。

然后用微觀逐個(gè)的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：把握整個(gè)控制過程以后，按照流程方框圖，根據(jù)控制原理，逐個(gè)把各部分找出來（微觀逐個(gè)思想）。比如知道了被控對(duì)象，能控制被控對(duì)象的設(shè)備就是執(zhí)行器，能對(duì)執(zhí)行器發(fā)出指令的是控制器（反饋裝置檢測(cè)實(shí)際值把它反饋到輸入端與設(shè)定值進(jìn)行比較）。

二、用“宏觀”和“微觀”的思想在開閉環(huán)控制系統(tǒng)解題中的應(yīng)用

1.開環(huán)控制系統(tǒng)

例題1：如圖1所示是地鐵進(jìn)站閘機(jī)，乘客將車票或公交卡放入讀卡感應(yīng)區(qū)，讀卡器將卡片信息發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后，控制開閘機(jī)構(gòu)開啟閘門。關(guān)于閘門的開啟控制，下列說法正確的是（）

A.該控制是閉環(huán)控制

B.被控對(duì)象是乘客

C.輸出量是閘門的開啟

D.控制器是開閘機(jī)構(gòu)

解題思路：用宏觀整體的思想來看這個(gè)控制流程：先仔細(xì)閱讀整個(gè)控制過程，發(fā)現(xiàn)就是對(duì)“閘門”進(jìn)行控制。要實(shí)現(xiàn)怎樣的功能？當(dāng)車票或者公交卡輸入正確的時(shí)候，閘門開啟，否則不開啟。所以我們可以快速找出被控對(duì)象是“閘門”，輸入量為車票或者公交卡信息，輸出量是閘門是否開啟。（輸入量的性質(zhì)與輸出量的性質(zhì)不一樣，不能進(jìn)行比較，所以是開環(huán)控制系統(tǒng)。）

接著用微觀逐個(gè)的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：輸入信號(hào)由服務(wù)器接收，是控制器，控制器發(fā)出指令給執(zhí)行器，所以執(zhí)行器為開閘機(jī)構(gòu)，開閘機(jī)構(gòu)對(duì)外做功，來控制“閘門”，完成最終的控制任務(wù)。根據(jù)以上內(nèi)容，就可以寫出完整的開環(huán)控制系統(tǒng)流程圖。

2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

例題2：如圖2所示是三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)通過改變交流電的頻率來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過觸摸屏設(shè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速器將50Hz的交流電轉(zhuǎn)變成與設(shè)定轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)頻率的交流電，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);在電動(dòng)機(jī)輸出軸上的測(cè)速發(fā)電機(jī)隨電動(dòng)機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)并發(fā)電;PLC根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)的電流大小，判斷電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之間的差值，向變頻調(diào)速器發(fā)出指令，改變驅(qū)動(dòng)電流的頻率。下列說法正確的是（? ）

A.執(zhí)行器是電動(dòng)機(jī)

B.控制器是變頻調(diào)速器

C.輸出量是測(cè)速發(fā)電機(jī)的電流信號(hào)

D.控制量是變頻調(diào)速器輸出的電流頻率

解題思路：用宏觀整體的思想來看這個(gè)控制流程：仔細(xì)閱讀整個(gè)控制過程，發(fā)現(xiàn)就是對(duì)“三相異步電動(dòng)機(jī)”進(jìn)行控制，要使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速保持一致。所以我們能快速找到被控對(duì)象就是“三相異步電動(dòng)機(jī)”，輸入量為設(shè)定轉(zhuǎn)速，輸出量為實(shí)際轉(zhuǎn)速。（輸入量的性質(zhì)與輸出量的性質(zhì)一樣，可以進(jìn)行比較，所以是閉環(huán)控制系統(tǒng)。）

接著用微觀逐個(gè)的思想把控制系統(tǒng)的各部分找出來：這里我們可以倒推，什么能改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速？是交流電的頻率，所以其是控制量。什么能改變控制量？是變頻調(diào)速器，所以其是執(zhí)行器。什么能向變頻調(diào)速器發(fā)出指令？是PLC，所以其是控制器。什么能實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并能把它反饋給PLC（控制器）？是發(fā)電機(jī)，所以其是檢測(cè)（反饋）裝置（閉環(huán)控制系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置來檢測(cè)輸出量，所以往往裝在被控對(duì)象上面）。根據(jù)以上內(nèi)容，就可以寫出完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖。

3.開閉環(huán)控制系統(tǒng)

例題3：如圖3所示為滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖，由電機(jī)控制子系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)組成。在電機(jī)控制子系統(tǒng)中，傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并反饋到控制裝置與設(shè)定值比較，控制裝置根據(jù)差值發(fā)出運(yùn)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器將運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)中，電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿通過螺母驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)。系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和絲桿的螺紋間距計(jì)算出滑臺(tái)移動(dòng)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滑臺(tái)位置的間接控制。

由于絲桿傳動(dòng)的誤差和滑臺(tái)移動(dòng)時(shí)的摩擦，導(dǎo)致滑臺(tái)移動(dòng)的距離存在誤差。為了提高滑臺(tái)位置的控制精度，下列措施中合理的是（）

A.將電機(jī)換成高精度電機(jī)，控制方式改成開環(huán)控制

B.將傳感器換成高精度傳感器，提高電機(jī)及轉(zhuǎn)動(dòng)角度的檢測(cè)精度

C.將傳感器安裝在絲桿上，檢測(cè)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度

D.在滑臺(tái)上安裝傳感器，檢測(cè)滑臺(tái)的位置

解題思路：同樣先用宏觀整體的思想來看這個(gè)控制流程：仔細(xì)閱讀整個(gè)控制過程，發(fā)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)分成兩個(gè)部分：一部分是來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度;另一部分就是通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度從而來最終控制滑臺(tái)的前后運(yùn)動(dòng)。所以對(duì)于滑臺(tái)位置的控制，被控對(duì)象就是“滑臺(tái)”，要實(shí)現(xiàn)的控制功能是輸入相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出滑臺(tái)的相應(yīng)位置。（輸入量的性質(zhì)與輸出量的性質(zhì)不一樣，不能進(jìn)行比較，所以是開環(huán)控制系統(tǒng)。）開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量由于不會(huì)對(duì)前面的控制產(chǎn)生影響，不能消除控制誤差，所以要把它改進(jìn)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)前面的介紹，可以在被控對(duì)象上加一個(gè)檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)來反饋輸出量，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而消除偏差。故這個(gè)檢測(cè)裝置應(yīng)該裝在滑臺(tái)上面。

三、結(jié)束語

用“宏觀”和“微觀”相結(jié)合的方法來解決控制系統(tǒng)中的難題，可以培養(yǎng)大家的大局觀，看問題更加全面細(xì)致，不至于顧此失彼。其實(shí)很多時(shí)候，也可以用這個(gè)方法解決其他工作，學(xué)習(xí)和生活中遇到的問題。筆者本人發(fā)表這個(gè)方法，希望學(xué)生可以多掌握一種解題技巧，同時(shí)與各位同行相互探討學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃春花.經(jīng)濟(jì)學(xué)原理[M].東南大學(xué)出版社，2017.

[2]顧建軍.技術(shù)與設(shè)計(jì)2[M].江蘇鳳凰教育出版社，2004.

編輯 王亞青